Частная китайская космическая компания LandSpace впервые в мире успешно запустила ракету-носитель (РН) с кислородно-метановыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), победив в «метановой гонке». Что за ракета была запущена, в чём преимущество метанового топлива и кто ещё создаёт РН на метане?

Содержание:

Запуск
Особенности ракеты «Чжуцюэ-2»
«Метановая гонка»

Запуск РН «Чжуцюэ-2». Credit: LandSpace.

Запуск

Запуск РН «Чжуцюэ-2». Credit: LandSpace.

Запущенная РН имеет название Zhuque-2 (ZQ-2, «Чжуцюэ-2»). Слово «Чжуцюэ» переводится как Красная птица — один из четырёх китайских знаков зодиака, элемент огня, символ юга и лета. Пуск был произведён 12 июля в 09:00 по пекинскому времени (04:00 мск) со стартовой площадки № 43/96 космодрома Цзюцюань на севере Китая. Так как запуск был испытательный, на «Чжуцюэ-2» не было полезной нагрузки, лишь её массо-габаритный макет. Все ступени отработали штатно, запуск признан полностью спешным.

Это была вторая попытка запуска «Чжуцюэ-2» и первая успешная, но об этом далее.

Особенности ракеты «Чжуцюэ-2»

«Чжуцюэ-2» — одноразовая двухступенчатая ракета-носитель среднего класса, на обеих ступенях которой используется криогенная топливная пара «жидкий кислород — жидкий метан». Ракета способна вывести 6000 кг полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту высотой 200 км или 4000 кг на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км. Её высота составляет 49,5 метров, т. е. по высоте она сравнима с 16-этажным зданием, максимальный диаметр — 3,35 метра, стартовая масса без полезной нагрузки — 216 тонн. «Чжуцюэ-2» — крупнейшая в Китае РН, созданная частной космической компанией.

Строение «Чжуцюэ-2». Credit: LandSpace.

Установка РН «Чжуцюэ-2» на стартовый стол. Credit: LandSpace.

На первой ступени установлено 4 метановых ЖРД открытого цикла Tianque-12 (TQ-12, русс. «Небесная Сорока-12»). Из-за особенностей обозначения двигателей на РН часто возникает путаница в названиях двигателя, поэтому в разных источниках его могут обозначать как TQ-12, TQ-13 или TQ-15. На второй ступени установлен один двигатель TQ-12 в версии для работы в вакууме с одним рулевым TQ-11.

TQ-12 во время огневых испытаний. Credit: LandSpace.

Работа двигателей первой ступени во время запуска. Обратите внимание на голубоватый цвет пламени (факела), связанный с использованием метана. Credit: LandSpace.

Чжуцюэ-2» отличается большим числом инновационных для Китая особенностей. Например, впервые для страны:

применена технология лазерной сварки больших сопел ЖРД;
реализована технология полуфизического моделирования системы управления режимом работы двигателя с переменной тягой;
применён высокоточный низкотемпературный регулятор высокого давления и низкотемпературная пружинная система динамического уплотнения;
реализована возможность поворота турбонасосов для криогенного двигателя большой тяги.

Конструкция «Чжуцюэ-2» позволяет при необходимости проводить быструю диагностику и несложный ремонт РН. Использована авионика с достаточно продвинутым программным обеспечением, которое может самостоятельно контролировать полёт ракеты и при необходимости автоматически менять ряд параметров без вмешательства специалистов в Центре управления полётами.

Как уже указывалось выше, это был второй пуск «Чжуцюэ-2», но первый успешный. Первая попытка запустить эту РН была произведена 14 декабря 2022 года, но из-за гидравлического удара во время работы второй ступени произошла авария. Тогда на борту «Чжуцюэ-2» также не было полезной нагрузки.

«Метановая гонка»

Каковые преимущества метана как ракетного топлива и почему возникла «метановая гонка»?

Преимущества топливной пары «жидкий кислород — жидкий метан»:

Низкая цена.
Метан — основной компонент природного газа, его удобно транспортировать до космодрома по газопроводам.
Ракетное топливо на метане более экологически чистое, нежели на керосине или ядовитом гидразине и его производных, при сгорании образует лишь углекислый газ и водяной пар. Более безопасен при утечках. Уступает по этим параметрам водороду, при сжигании которого с кислородом образуется лишь водяной пар.
Относительно более высокий удельный импульс. Он выше, чем у пары «жидкий кислород — керосин» (3,4 км/с против 3,1), но не дотягивает до пары «жидкий кислород — жидкий водород» (4,5 км/с), которая пока что вне конкуренции по этому параметру.
С метаном легче обращаться, чем с «капризным» водородом или токсичным гидразином и его производными.
Метановые двигатели могут работать при более высоких давлениях, что повышает их тягу.
Метан создаёт высокое давление в баках, что исключает необходимость в дополнительных системах наддува. Наддув необходим для безкавитационной работы турбонасосов ЖРД, чаще всего для этого используется газ наддува (азот или гелий), который находится в специальных баках, что утяжеляет РН. Впрочем, наддув всё равно может применяться с целью увеличения давления в ЖРД, а метан позволяет использовать автогенный наддув, когда один из компонентов топливной пары газифицируется и подаётся в баки. Такой наддув, например, применили на метановой РН Terran 1.
Высокая охлаждающая способность метана позволит упростить охлаждение ЖРД.
Метан — лучшее топливо для многоразовых РН. При сгорании, в отличие от керосина, он почти не образует сажу, поэтому элементы двигателя не придётся очищать от несгоревших остатков топлива.

Недостатки топливной пары «жидкий кислород — жидкий метан»:

Низкая плотность, что предполагает использование большого бака. Сейчас данный недостаток считается нивелированным благодаря охлаждению метана до сверхнизких температур, из-за чего он уплотняется достаточно, чтобы использовать баки стандартных объёмов.
С метаном труднее обращаться, чем с керосином.
Необходимы большие вложения в улучшение инфраструктуры космодромов, чтоб они могли работать с метаном.
Как и водород, может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом при утечках.

Как видно, преимуществ у метана немало, но ранее проекты метановых РН не привлекали ракетостроителей из-за указанных выше проблем и возможности использования водорода. Но тенденции на экономичность, многоразовость и экологичность изменили ситуацию. Возникло большое число проектов РН на метане, к которым было привлечено немало внимания. Всё это привело к появлению того, что специалисты и любители космоса неофициально назвали «метановой гонкой», по аналогии с «космической» или «лунной гонками». Кто же претендовал на место первой метановой РН, кроме «Чжуцюэ-2»?

Упомянутая выше одноразовая РН лёгкого класса Terran 1 от американской компании Relativity Space. Она отличается тем, что почти полностью создана с применением технологии 3D-печати. Первая и единственная попытка запуска состоялась 23 марта 2023 года, Terran 1 не смогла достигнуть орбиты из-за аварии во врем работы второй ступени. Несмотря на успешную работу первой ступени, Relativity Space решила отказаться от развития Terran 1, сосредоточив все усилия на более мощной и многоразовой Terran R. Первое время в новой РН многоразовой будет только первая ступень, но через некоторое время должна будет появиться и многоразовая вторая ступень.
Starship/Super Heavy — крайне амбициозный и не менее сложный проект полностью многоразовой сверхтяжёлой РН американской компании SpaceX, главой которой является небезызвестный миллиардер Илон Маск. Начало её эксплуатации переведёт все остальные РН в разряд устаревших, однако до этого нужно ещё дожить. SpaceX сталкивается с бюрократией, жалобами экоактивистов и техническими проблемами, а первая попытка орбитального запуска 20 апреля этого года Starship окончилась неудачей (впрочем, Илон Маск предупреждал, что авария крайне вероятна) и повреждением стартового стола.
Vulcan Centaur — одноразовая РН тяжёлого класса, разрабатываемая на замену Atlas V и Delta IV Heavy главным конкурентом SpaceX — компанией United Launch Alliance (совместное предприятие Boeing и Lockheed Martin). Имеет метановую первую ступень, на которую установлены ЖРД BE-4 от американской компании Blue Origin. В будущем планируется снимать их с использованных первых ступеней и использовать повторно. Пуск Vulcan Centaur несколько раз переносился, а во время огневых испытаний второй ступени произошла утечка водорода с последующим взрывом. Через некоторое время уже собранную и готовую к пуску ракету разобрали с целью укрепления второй ступени. А 30 июня произошёл взрыв ЖРД BE-4 во время очередного огневого испытания, хотя до этого было произведено немало успешных подобных испытаний.
New Glenn — проектируемая Blue Origin частично многоразовая сверхтяжёлая РН, точная дата пуска которой пока неизвестна. Будет иметь метановую первую ступень у упомянутыми выше ЖРД BE-4.
«Союз-7» («Амур-СПГ») — российский проект двухступенчатой частично многоразовой РН среднего класса, на обеих ступенях будет метановый ЖРД РД-0169. Первый пуск планируется не раньше 2026 года.